مفاعل بهوتوكاتاليتيك تدفق مستمر لترسب الجسيمات النانوية المعدنية التي تسيطر عليها على وجه التحديد
概要
لتوليف متواصلة وقابلة للتطوير نانومترى المستندة إلى المعادن النبيلة، تم تطوير مفاعل بهوتوكاتاليتيك رواية ويرد هيكلها والمبادئ العملية، واستراتيجيات تحسين نوعية المنتج.
Abstract
في هذا العمل، هو تطوير مفاعل بهوتوكاتاليتيك رواية للإثارة التي تسيطر عليها ونابض فوتوكاتاليست وترسب الجسيمات النانوية المعدنية الدقيقة. وترد المبادئ التوجيهية للنسخ المتماثل من المفاعل وعملها بالتفصيل. وتصدر ثلاثة أنظمة المركبة المختلفة (Pt/الجرافين، Pt/TiO2، والاتحاد الأفريقي/TiO2) مع مونوديسبيرسي والجسيمات الموزعة بانتظام هذا المفاعل، وآلية فوتوديبوسيتيون، فضلا عن استراتيجية التحسين التوليف، وتناقش. ويرد وصف أساليب التوليف وجوانبها التقنية شاملة. وترد القيم المثلى لكل نظام مركب وهو التحقيق في دور الأشعة فوق البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية) الجرعة (في كل نبض الإثارة) في عملية فوتوديبوسيشن.
Introduction
جسيمات نانوية المعدني، لا سيما المعادن النبيلة (مثلاً، حزب العمال، الاتحاد الأفريقي، Pd) لها تطبيقات واسعة في الحفز1. وبصفة عامة، تناقص حجم جسيمات نانوية (NPs) يزيد من نشاطهم التحفيزي مع الحفاظ على ثابت التكلفة (الوزن)، ولكنه أيضا يجعل تطبيقها أكثر صعوبة. مصادر القدرة النووية (عادة ما تكون أقل من 10 نانومتر) لديها ميول كبيرة للتجميع، الذي يحط من قدر نشاطهم التحفيزي؛ ومع ذلك، التثبيت على ركائز مناسبة معظمهم حل هذه المشكلة. وعلاوة على ذلك، اعتماداً على نوع التطبيق (على سبيل المثال، اليكتروكاتاليسيس)، من الضروري في بعض الأحيان شل القدرة على ركائز موصلة2،3. يمكن أيضا أن يكون تهجين لأمان مع أشباه الموصلات لتشكيل حاجز شوتكي وتجنب (تأخير) جزئ (يتصرف كالفخاخ إلكترون) إلكترون-ثقب4،5. ومن ثم فالمعدن نبيلة NPs (ننبس) في معظم التطبيقات، أودعت أما على موصلة (مثلاً، الجرافين) أو سيميكوندوكتيفي (مثلاً، TiO2) الركيزة. وفي كلتا الحالتين، خفضت الكاتيونات المعدنية عادة حضور الركيزة، ويختلف أسلوب الحد من أسلوب واحد إلى آخر.
للترسب ننبس عن طريق الحد من تلك الاتصالات، ينبغي توفير الإلكترونات (مع إمكانية الكهربائية المناسبة). التي يمكن أن يتم ذلك بطريقتين: طريق الأكسدة الأخرى من الأنواع الكيميائية (عامل تخفيض)7 6،، أو من مصدر طاقة خارجي8. على أي حال، للترسب مونوديسبيرسيد لأمان متجانسة، من الضروري فرض رقابة صارمة على توليد ونقل من الإلكترونات (الحد). هذا صعب جداً عند استخدام عامل تخفيض حيث يوجد تقريبا أي سيطرة على عملية الحد من مجرد مختلطة كواشف مختبر (الكاتيونات وعامل تخفيض). وعلاوة على ذلك، يمكن أن تشكل مصادر الطاقة النووية في أي مكان، وليس بالضرورة على الركازة المستهدفة. عند استخدام مصدر طاقة خارجي، السيطرة على عدد الإلكترونات المقدمة أفضل بكثير، ولكن يمكن فقط أن تودع NPs على سطح قطب.
بهوتوكاتاليتيك ترسب (PD) هو نهج بديل، الذي يوفر المزيد من السيطرة على العدد (الصور) تولد الإلكترونات حيث أنها تتصل مباشرة بجرعة الفوتونات مضيئة (مع طول موجي مناسب). في هذا الأسلوب، المواد الركيزة التي تضطلع بدور مزدوج؛ ويوفر الإلكترونات الحد9 وتستقر NPs شكلت10. وعلاوة على ذلك، شكل NPs فقط على الركازة منذ الإلكترونات يتم إنشاؤها بواسطة الركازة. اتصال كهربائي مناسب بين مكونات المركب (مصنوعة بطريقة الحد بهوتوكاتاليتيك) مكفولة أيضا11. ومع ذلك، يوجد في أساليب ترسب بهوتوكاتاليتيك التقليدية التي هي مضيئة الدفعي بالكامل من كواشف مختبر (الأيونات الموجبة فوتوكاتاليست والمعادن) في نفس الوقت، أي سيطرة على التنو من ننبس. في الواقع، حالما تتشكل جزيئات قليلة (نويات)، أنها بمثابة مواقع نقل المفضلة ل الإلكترونات فوتوجينيراتيد5 وتتصرف كموقع مفضل نمو. نقل الإلكترون متفوقة هذا يعزز نمو الجسيمات الموجودة وديسفافورس تشكيل نويات جديدة، مما يؤدي إلى تشكيل ننبس كبيرة. ويمكن معالجة هذه المشكلة بالإضاءة نبضات من الأشعة فوق البنفسجية الخفيفة في مفاعل تدفق مستمر خاصة (الشكل 1) الذي تم تطويره مؤخرا لدينا مجموعة12. الميزة الفريدة لهذا المفاعل أنه يسمح للباحثين مراقبة كل العوامل التي أرستها-الحجم-تحديد، إلا وهي، نويات والنمو. في هذا المفاعل، جزء صغير جداً من كواشف مختبر مضاءة لفترة قصيرة جداً من الزمن، تشجيع تشكيل نواة (يتم تشكيل أنوية أكثر)، وتقييد النمو (جسيمات أصغر تتحقق). في هذا الأسلوب، بمراقبة الجرعة الإضاءة (أي، عن طريق ضبط مدة التعرض [تغيير طول كشف أجزاء من الأنبوب رد فعل؛ الشكل 1 ج] أو كثافة الضوء الحادث [عدد المصابيح])، يمكن أن يمارس عنصر تحكم دقيق جداً على مدى العدد من الإلكترونات فوتوجينيراتيد، ومن ثم في عملية الحد من (ترسب الحزب الوطني الجديد).
الشكل 1 : مفاعل الترسيب بهوتوكاتاليتيك ملفقة. (أ) المفاعل. (ب) داخل قاعة الإضاءة. (ج) أنبوب الكوارتز مع طول التعرض للإضاءة 5 × 1 سم. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
على الرغم من الإمكانات الكبيرة للأسلوب PD للترسب ننبس الخاضعة للرقابة، يقتصر تطبيقه على مواد انتشارية. ولحسن الحظ، فمن الممكن لفتح فجوة واسعة نطاق في الجرافين (أحد ركائز أفضل إجراء13) التي لها الروغان كيميائية بسيطة. بعد ذلك، يمكن إزالة هذه المجموعات الوظيفية (FGs) معظمهم والجرافين الناتجة ستكون موصلة ما يكفي بالنسبة لمعظم التطبيقات. بين المشتقات فونكتيوناليزيد العديد من الجرافين، أكسيد الجرافين (GO)، الذي يسلك كبيرة انتشارية خصائص14، هو المرشح الأكثر تبشيرا بالنجاح لهذا الغرض. هذا أساسا إلى حقيقة أن الإنتاج للذهاب بأعلى إنتاج العائد بين الآخرين. ومع ذلك، منذ انتقال تتكون من أنواع مختلفة من FGs، التركيب الكيميائي يختلف باستمرار تحت إضاءة الأشعة فوق البنفسجية. وقد أظهرنا أن مؤخرا بإزالة انتقائية FGs المستعبدين ضعيفة (تخفيض جزئي؛ برجو)، التركيب الكيميائي والخصائص الإلكترونية للذهاب يمكن أن تستقر، وهو شرط أساسي لترسبات متجانسة ننبس12. في هذا التقرير، تصف هيكل المفاعل، وتوفير معلومات مفصلة للنسخ المتماثل والعملية. وتناقش أيضا إليه ترسب (تعمل إليه للمفاعل) واستراتيجيات التحسين الممكنة بقدر كبير من التفصيل. للتحقق من صحة انطباق PD المتقدمة يتجلى المفاعل لكلا النوعين من ركائز مشتركة (الموصلات وأشباه الموصلات) ومختلف ننبس، ترسب البلاتين في برجو و TiO2، فضلا عن الذهب في TiO2،. جدير بالذكر أن تشكيلة مناسبة من المعدن، فوتوكاتاليست وسلائف المواد (مثلاً، الملح، الكاسح هول)، وتشتت وسائط الإعلام، يمكن أيضا إيداع عدة جزيئات معدنية أخرى (مثل Ag و Pd15). من حيث المبدأ-منذ ذلك الحين، في فوتوديبوسيشن ننبس، خفضت الكاتيونات المعدن قبل فوتوكسسيتيد الإلكترونات، يجب أن تتطابق مع مستوى الطاقة بأشباه الموصلات التوصيل الفرقة الحد الأدنى (CBM) مع (تكون سلبية أكثر منها) إمكانات الخفض هدف الكاتيونات. بسبب جوانب الإنتاج التقنية الواسعة، كما يتم وصف توليف برجو بالتفصيل. للحصول على معلومات إضافية فيما يتعلق بالتركيب الكيميائي وخصائص برجو الإلكترونية، يرجى الرجوع إلى العمل السابق12.
ويرد هيكل المفاعل مفصلة تخطيطياً في الشكل 2. المفاعل قد عنصرين رئيسيين هما: إضاءة الأشعة فوق البنفسجية وحجرة خزان. يتكون قسم الإضاءة من أنبوب الكوارتز، الذي يتحدد بالضبط على طول المحور المركزي لأنبوب أسطواني ببطانة ألومنيوم مصقول. يتكون الخزان من زجاجة زجاجية مختومة كاب ل 1 مع الغاز والسائل كواشف (مختبر) مداخل ومنافذ. استخدام حاجز من سيليكون مع ملولبة مكشوفة لإدراج هذه الأنابيب. لأخذ عينات أثناء عملية التفاعل دون السماح للأوكسجين يدخل المفاعل، كما يتم تثبيت منفذ بصمام. تجدر الإشارة هنا أن العينات على فترات زمنية محددة ليست جزءا من عملية الإنتاج نانوي، وأخذ العينات فقط يحتاج إلى أن يتم بمجرد الحصول على منحنيات التركيز-الوقت لكل مجموعة من معلمات التوليف (تطبيق سوف تناقش هذه المنحنيات في قسم المناقشة). يتم وضع الخزان داخل حمام الماء المثلج أثناء خلطها بقوة على محرض مغناطيسية. مضخة مغناطيسية توزع مادة التفاعل من الخزان إلى دائرة رد الفعل (قسم الإضاءة) والعودة إلى الخزان. المغناطيسية يستخدم واحد نظراً لمعدلات تدفق عالية ضرورية (معدل التدفق في هذا العمل = L·min 16-1) والمضخات المتمعجة (أو مضخات مماثلة أخرى) لا يكاد يمكن أن توفر تلك التدفقات. عند استخدام مضخة مغناطيسي، ينبغي الحرص على ملء المكره غلاف (مضخة الإسكان) مع السائل مادة التفاعل تماما وإجلاء أي الهواء المحبوس (مصدر الأكسجين). يمكنك تقليل الهواء المحبوس أيضا معدل التدفق الحقيقي للمضخة.
لإثارة نابض المادية فوتوكاتاليست وأطوال معينة من أنبوب الكوارتز مشمولة بإحباط ألومنيوم سميكة، تاركاً متساوية في الطول بينهما كشفت (الشكل 2). ويمكن تعديل مدة الإثارة نابض بتغيير طول الأجزاء كشفت (طول التعرض). يتم تحديد طول التعرض الأمثل بمعلمات مختلفة، مثل العائد الكم فوتوكاتاليست وتحميل NP المقصود (التركيز على السلائف؛ انظر المناقشة).
Protocol
Representative Results
Discussion
جسيمات نانوية هي النموذج الأكثر استخداماً من المواد الحفازة المستندة إلى المعادن النبيلة. في جميع الحالات تقريبا، تودع ننبس موصل أو مادة دعم سيميكوندوكتيفي. هذا التهجين معظمها يتم عن طريق الحد الاتصالات المعدن نبيلة حضور الركيزة المقصود (المادية). ومن ثم، أسلوب توليف ناجحة لإنتاج نانوي ا…
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
المؤلف يود أن يشكر جامعة سابانجى والمختبرات الاتحادية السويسرية لمواد العلوم والتكنولوجيا (Empa) على كل الدعم الذي قدمته.
Materials
| Chloroplatinic acid solution | Sigma Aldrich | 262587-50ML | |
| Hydrogen tetrachloroaurate(III) hydrate | Alfa Aesar | 12325.03 | |
| TiO2 Nanopowder (TiO2, anatase, 99.9%, 100nm) | US research nanomaterials | US3411 | |
| Graphite powder | Alfa Aesar | 10129 | |
| Sulfuric acid | Sigma Aldrich | 1120802500 | |
| Hydrogen peroxide | Sigma Aldrich | H1009-100ML | |
| L-Ascorbic acid | Sigma Aldrich | A92902-500G | |
| Hydrochloric acid | Sigma Aldrich | 320331-2.5L | |
| Sodium hydroxide | Sigma Aldrich | S5881-1KG | |
| Potassium permanganate | Merck | 1050821000 | |
| Corning® Silicone Septa for GL45 Screw Cap | Sigma Aldrich (Corning) | CLS139545SS | |
| Polyvinyl chloride pipe | Koctas | UV-Reactor casing | |
| Fuded silica (Quartz) tube | Technical Glass Products | ||
| UV−C lamps | Philips | TUV PL-L 55W/4P HF 1CT/25 |
参考文献
- Okitsu, K., Mizukoshi, Y., Ashokkumar, M. Catalytic Applications of Noble Metal Nanoparticles Produced by Sonochemical Reduction of Noble Metal Ions. Handbook of Ultrasonics and Sonochemistry. , 325-363 (2016).
- Shakoori Oskooie, M., Menceloglu, Y. Z., Unal, S., Hayat Soytas, S. Rapid Microwave-assisted Synthesis of Platinum Nanoparticles Immobilized in Electrospun Carbon Nanofibers for Electrochemical Catalysis. ACS Applied Nano Materials. , (2018).
- Kaplan, B. Y., et al. Graphene: A Promising Catalyst Support for Oxygen Reduction Reaction in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells. ECS Meeting Abstracts. , (2018).
- Iliev, V., Tomova, D., Bilyarska, L., Eliyas, A., Petrov, L. Photocatalytic properties of TiO2 modified with platinum and silver nanoparticles in the degradation of oxalic acid in aqueous solution. Applied Catalysis B: Environmental. 63, 266-271 (2006).
- Bumajdad, A., Madkour, M. Understanding the superior photocatalytic activity of noble metals modified titania under UV and visible light irradiation. Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 7146 (2014).
- Şanlı, L. I., Bayram, V., Yarar, B., Ghobadi, S., Gürsel, S. A. Development of graphene supported platinum nanoparticles for polymer electrolyte membrane fuel cells: Effect of support type and impregnation-reduction methods. International Journal of Hydrogen Energy. 41, 3414-3427 (2016).
- Işıkel Şanlı, L., Bayram, V., Ghobadi, S., Düzen, N., Gürsel, S. A. Engineered catalyst layer design with graphene-carbon black hybrid supports for enhanced platinum utilization in PEM fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy. 42, 1085-1092 (2017).
- Domínguez-Domínguez, S., Arias-Pardilla, J., Berenguer-Murcia, &. #. 1. 9. 3. ;., Morallón, E., Cazorla-Amorós, D. Electrochemical deposition of platinum nanoparticles on different carbon supports and conducting polymers. Journal of Applied Electrochemistry. 38, 259-268 (2008).
- Pan, X., Xu, Y. -. J. Defect-Mediated Growth of Noble-Metal (Ag, Pt, and Pd) Nanoparticles on TiO2 with Oxygen Vacancies for Photocatalytic Redox Reactions under Visible Light. The Journal of Physical Chemistry C. 117, 17996-18005 (2013).
- Zhang, Y., Zhang, N., Tang, Z. -. R., Xu, Y. -. J. Graphene Oxide as a Surfactant and Support for In-Situ Synthesis of Au-Pd Nanoalloys with Improved Visible Light Photocatalytic Activity. The Journal of Physical Chemistry C. 118, 5299-5308 (2014).
- Abdolhosseinzadeh, S., Asgharzadeh, H., Sadighikia, S., Khataee, A. UV-assisted synthesis of reduced graphene oxide-ZnO nanorod composites immobilized on Zn foil with enhanced photocatalytic performance. Research on Chemical Intermediates. 42, 4479-4496 (2016).
- Abdolhosseinzadeh, S., Sadighikia, S., Gürsel, S. A. Scalable Synthesis of Sub-Nanosized Platinum-Reduced Graphene Oxide Composite by an Ultraprecise Photocatalytic Method. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 6, 3773-3782 (2018).
- Zhang, N., Yang, M. -. Q., Liu, S., Sun, Y., Xu, Y. -. J. Waltzing with the Versatile Platform of Graphene to Synthesize Composite Photocatalysts. Chemical Reviews. 115, 10307-10377 (2015).
- Han, C., Zhang, N., Xu, Y. -. J. Structural diversity of graphene materials and their multifarious roles in heterogeneous photocatalysis. Nano Today. 11, 351-372 (2016).
- Abdolhosseinzadeh, S. . Bandgap Modulation of Graphene Oxide and Its Application in the Photocatalytic Deposition of Metallic Nanoparticles. , (2017).
- Abdolhosseinzadeh, S., et al. Fast and fully-scalable synthesis of reduced graphene oxide. Scientific Reports. 5, 10160 (2015).
- Ma, Y., Wei, X. Determination of platinum in waste platinum-loaded carbon catalyst samples using microwave-assisted sample digestion and ICP-OES. AIP Conference Proceedings. 1829 (1), 020008 (2017).
- Sevilla, M., Sanchís, C., Valdés-Solís, T., Morallón, E., Fuertes, A. B. Highly dispersed platinum nanoparticles on carbon nanocoils and their electrocatalytic performance for fuel cell reactions. Electrochimica Acta. 54, 2234-2238 (2009).
- de Sá, D. S., et al. Intensification of photocatalytic degradation of organic dyes and phenol by scale-up and numbering-up of meso- and microfluidic TiO2 reactors for wastewater treatment. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 364, 59-75 (2018).
- Kononova, O. N., Leyman, T. A., Melnikov, A. M., Kashirin, D. M., Tselukovskaya, M. M. Ion exchange recovery of platinum from chloride solutions. Hydrometallurgy. 100, 161-167 (2010).
